CZ302231B6 - Zarízení pro simulaci vlivu rozdílných soucinitelu teplotní roztažnosti desky plošného spoje a pripojené bezvývodové soucástky na vlastnosti pájených a lepených spoju - Google Patents

Abstract

Zarízení pro simulaci vlivu rozdílných soucinitelu teplotní roztažnosti desky plošného spoje a pripojené bezvývodové soucástky na vlastnosti pájených a lepených spoju sestává z piezoelektrického translátoru (6) s válcovým trnem (7) pro vytvárení simulovaného mechanického napetí ve spojích bezvývodové soucástky (1), spojeného s programove rízeným zdrojem (8) vysokého napetí a ze sady vymenitelných desek (2) plošného spoje. Tyto vymenitelné desky (2) jsou opatreny dvema pripojovacími ploškami (5) ruzných roztecí pro pripojení zatežované bezvývodové soucástky (1). Každá z techto pripojovacích plošek (5) je opatrena dvema prívody (51) pro pripojení zarízení (9) pro ctyrbodové merení nelinearity voltampérové charakteristiky zatežované bezvývodové soucástky (1).

Description

Zařízení pro simulaci vlivu rozdílných součinitelů teplotní roztažnosti desky plošného spoje a připojené bezvývodové součástky na vlastnosti pájených a lepených spojů

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zařízení, které simuluje vliv rozdílných součinitelů teplotní roztažnosti na vlastnosti pájených a lepených spojů a umožňuje tak odhadovat spolehlivost pájeného nebo lepeného spoje, zejména u těch součástek pro povrchovou montáž, které jsou tzv. bezvývodového i o typu a jejichž kontakt pro připojení na desku plošných spoj ů j e vytvořen přímo na j ejich těle.

Dosavadní stav techniky i5 V současné době dominuje v elektronické montáži povrchová montáž. Při tomto druhu montáže jsou součástky montovány na desky plošných spojů se strany spojů pájením nebo vodivým lepením (viz obr. 1). Spojení vytvářené pájením jsou nazývány pájenými spoji, spoje vytvářené vodivým lepením jsou nazývány lepenými spoji. Při spojování je vytvářen elektrický spoj mezi kontaktem součástky a příslušnou připojovací ploškou na desce plošného spoje. Spoj musí mít poža20 dováné elektrické a mechanické vlastnosti.

Řada součástek, které se pro povrchovou montáž užívají, jsou typu tzv. bezvývodových součástek, kdy kontakty součástek pro připojení na desku plošného spoje jsou vytvořeny přímo na těle součástky. Takovýmito typy součástek jsou některé typy odporů, kondenzátorů, elektrolytických kondenzátorů, patic pro integrované obvody, ale i jiné součástky.

Základním problémem povrchové montáže bezvývodových součástek je rozdílnost teplotních součinitelů délkové roztažnosti desky plošného spoje a součástky. Zatímco u součástek s vývody není tento faktor kritický, protože případná rozdílnost tepelné dilatace součástky a desky ploŠné30 ho spoje je v dominantní míře absorbována propružením vývodu, u bezvývodové součástky způsobuje rozdílnost tepelné dilatace součástky a desky plošného spoje vznik mechanického napětí v součástce, v desce plošného spoje a v připojovacím materiálu, kterým je součástka namontována na desku. Tedy v materiálu pájeného, nebo lepeného, spoje. Výsledné napětí je obvykle kombinací tahového a smykového napětí ve spoji a jeho velikost závisí na modulu pružnosti těla sou35 Částky a desky plošného spoje. Velikost mechanického zatížení spoje je tím větší, Čím větší je rozdílnosti součinitelů tepelné roztažnosti desky plošného spoje a součástky a čím vyšší je teplota. Teplota, ve které je systém součástka - deska plošného spoje exponován, se může měnit opakovaně v širokém rozsahu, například když je elektronické zařízení vypnuté nebo zapnuté. Teplota systému součástka-deska je také ovlivňována okolní teplotou. K výrazným změnám teploty okolí např. dochází při nastartování motoru po odstavení automobilu s elektronickým zařízením v zimě. Spoje jsou tedy mechanicky namáhány opakovaně. Toto namáhání ovlivňuje spolehlivost a dobu života spojů.

Zrychlené zkoušky pro ověření doby života takto namáhaných spojů, kdy by byl systém cyklován v prostředí s nízkou a vysokou teplotou, jsou zdlouhavé a nákladné. Zkoušky jsou prováděny v klimatické komoře, kam je systém součástka-deska umístěn. Podmínky ohřívání a ochlazování systému jsou simulovány cyklováním teploty v daném rozsahu a při daném časovém profilu, na systém je tedy aplikováno cyklické teplotní zatížení. Jiný typ teplotního namáhání je prováděn jako tzv, „shock tesť'. V tomto případě je systém součástka-deska umístěn do zařízení, které so sestává ze dvou komor. Spodní komora je „studená“, horní je „teplá“. Systém je umístěn do vozíku, který mezi komorami přejíždí v době několika sekund. Systém vdané komoře setrvá po určitou dobu a pak je přemístěn za několik sekund do druhé komory. Zkoušek odolnosti systému proti teplotnímu zatížení různého typu je celá řada a mnoho z nich je normalizováno. Vždy jsou však prováděny na poměrně nákladných zařízeních a jsou zpravidla časově náročné. Navíc při

- 1 CZ 302231 B6 těchto zkouškách není separováno studium mechanického zatížení spojů od jiných teplotních vlivů.

Je výhodné, když je možné nasimulovat zkoušky mechanického zatížení spojů při vyšších (nebo nižších) teplotách tak, aby bylo možné ověření tohoto vlivu na pájené či lepené spoje pro danou kombinaci součástka - deska plošného spoje v dostatečně krátkém čase a s dostatečnou pravděpodobností výroku, což je cílem předkládaného řešení.

io Podstata vynálezu

Zdlouhavost a experimentální náročnost výše popsaných experimentů odstraňuje zařízení pro simulaci vlivu rozdílných součinitelů teplotní roztažnosti desky plošného spoje a připojené bezvývodové součástky na vlastnosti pájených a lepených spojů podle předkládaného řešení. PodI? statou tohoto zařízení je, že je tvořeno piezoelektrickým translátorem opatřeným válcovým trnem pro přenos simulovaného mechanického napětí na zatěžovanou součástku a spojeným s programově řízeným zdrojem vysokého napětí a dále sadou vyměnitelných desek plošného spoje opatřených dvěma připojovacími ploškami vhodné velikosti a různých roztečí pro namontování různých typů zatěžovaných součástek pájením nebo vodivým lepením. Každá z těchto připojovacích plošek je opatřena dvěma přívody pro připojení zařízení pro čtyřbodové měření nelinearity voltampérové charakteristiky zatěžované součástky včetně lepených nebo pájených spojů.

Výhodou tohoto uspořádání je, že umožňuje v dostatečně krátkém čase a s dostatečnou pravdě25 podobností výroku ověřit vliv střídavých teplot na pájené či lepené spoje pro danou kombinaci součástka -deska plošného spoje.

Přehled obrázků na výkresech

Zařízení pro simulaci vlivu rozdílných součinitelů teplotní roztažnosti na vlastnosti pájených a lepených spojů bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. Na obr. 1 je uveden příklad povrchově montované bezvývodové součástky. Na obr. 2 je uvedena schematicky mechanická sestava pro simulaci mechanického namáhání povrchově montovaných součástek při teplotních změnách a na obr. 3 je uvedeno schéma zapojení zařízení pro simulaci mechanického namáhání povrchově montovaných součástek, Obr, 4 ukazuje způsob prohýbání desky plošného spoje s osazenými součástkami při simulaci mechanického namáhání spojů při zjišťování vztahu mezi nelinearitou voltampérové charakteristiky spojů a mechanickým napětím ve spoji.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je uveden příklad povrchově montované bezvývodové součástky 1 na desku 2 plošného spoje. Kontakt 3 bezvývodové součástky i je pomocí spoje 4 provedeného pájkou nebo elek45 tričky vodivým lepidlem spojen s připojovací ploškou 5 desky 2 plošného spoje. Zařízení, které simuluje mechanické napětí v pájeném nebo lepeném spoji, vznikající v důsledku rozdílných součinitelů teplotní roztažnosti součástky a desky 2 plošného spoje při vyšší teplotě ukazuje obr. 2 a obr. 3. Toto zařízení se skládá z piezoelektrického translátoru 6, jehož součástí je válcový trn 7 pro simulaci mechanického napětí ve spojích zatěžované bezvývodové součástky i. Piezo50 elektrický translátor 6 je napájen programově řízeným zdrojem 8 vysokého napětí. Součástí měřicí sestavy je sada desek 2 plošných spojů, které jsou opatřeny dvěma připojovacími ploškami 5 vhodné velikosti a různých roztečí pro připojení různých typů zatěžovacích bezvývodových součástek I. Každá z těchto připojovacích plošek 5 je opatřena dvěma přívody 51 pro připojení zařízení 9 pro čtyřbodové měření nelinearity voltampérové charakteristiky zatěžované bezvý55 vodové součástky 1.

-2CZ 302231 B6

Bylo zjištěno, že mechanické napětí v pájeném nebo lepeném spoji 4 se projeví pouze nepatrně na jeho elektrickém odporu, což je veličina, která bývá, z elektrických veličin zpravidla jako jediná, u spojů zjišťována. Jako veličina vysoce citlivá na mechanické namáhání spoje 4 byla zjištěna nelinearita voltampérové charakteristiky spoje 4, a to zejména u spojů realizovaných elektricky vodivými lepidly. U pájených spojuje nelinearita menší. Výsledná nelinearita měřená na namontované bezvývodové součástce I je dána nelinearitou bezvývodové součástky i a nelinearitou dvou spojů 4, kterými je součástka připojena na desku 2 plošného spoje. Proto je třeba vyhodnocovat měření jako diferenční, kdy od naměřené celkové hodnoty nelinearity, zjišťované io jako úroveň napětí 3. harmonické ne bezvývodové součástce I a spojích 4, je odečítána nelinearita samotné bezvývodové součástky I. Výsledná hodnota nelinearity závisí na mechanickém napětí ve spoji 4 a může tedy sloužit k hodnocení mechanického namáhání spoje 4. Proto byla nelinearita voltampérové charakteristiky vybrána jako parametr pro hodnocení mechanického napětí ve spoji 4.

Nejprve je třeba nalézt křivku závislosti měřené nelinearity voltampérové charakteristiky spoje na mechanickém napětí ve spoji 4, Napětí může být simulováno např. některým SW nástrojem založeným na technice konečných prvků, pro většinu experimentů je však postačující sledovat napětí v ose maximálního namáhání. Většina povrchově montovaných bezvývodových součástek

1 má tvar kvádru s poměry stran délka:šířka:výška obvykle 3:1:1 až 4:1:1. Velikost dilatace na delším rozměru je tedy tří až čtyřnásobná ve srovnání s dilatací v ostatních směrech. Je tedy zřejmé, že v tomto směruje spoj nejvíce namáhán.

Jednoduchý způsob zjišťování závislosti napětí ve spoji 4 a příslušné hodnoty nelinearity vol25 tampérové charakteristiky spoje je uveden na obr. 4. Na desku 2 plošného spoje jsou namontovány pájením nebo elektricky vodivým lepením povrchově montované bezvývodové součástky i. Deska 2 plošného spoje s namontovanými bezvývodovými součástkami 1 je ve středu prohýbána silou 2F. Deska je uchycena v bodech A a B. Nelinearita spojů 4 je měřena ve čtyřbodovém připojení pomocí přívodů 51, ke kterým se připojuje zařízení 9 pro čtyřbodové měření nelinearity voltampérové charakteristiky zatěžované bezvývodové součástky 1. Mechanické napětí v jednotlivých spojích 4 se liší podle polohy spoje 4 vzhledem k ose působící síly F. Toto napětí je možné pro každý spoj 4 vypočítat ze znalosti potřebných fyzikálních veličin desky 2 plošného spoje a těla bezvývodové součástky I, jako jsou modul pružnosti desky 2 plošného spoje a těla bezvývodové součástky i v ohybu a ve smyku, průřezové moduly a rozměry.

Jako příklad rozdílnosti dilatací součástky a desky jsou v následující tabulce uvedeny velikosti jednoosé dilatace korundu, což je nej častější materiál pro výrobu těl odporů pro povrchovou montáž, materiálu FR4, což je skleněná tkanina plněná epoxidovou pryskyřicí tvořící základ desek plošného spoje a mědi, kde měděná fólie je užívána pro vytvoření vodivých motivů na deskách plošných spojů, a to pro délku 5 mm a změnu teploty o 80 °C.

Materiál	Korund	FR4	Cu
Dilatace (5 mm, 80 °C) (pm)	2,8	4	5,2
Rozdíl dilatace oproti korundu (5mm, 80 °C) (pm)	—	1,2	2,4

Pro simulaci mechanického zatížení spoje je využito piezoelektrického translátoru 6, Řízení zdvihu válcového tmu 7 piezoelektrického translátoru 6 je řízeno napětím z programově řízeného zdroje 8 vysokého napětí. To umožňuje řídit profil mechanického zatěžování spojů 4.

Při provozu desky 2 plošného spoje s namontovanými bezvývodovými součástkami 1 dochází, v důsledku rozdílných součinitelů teplotní roztažnosti bezvývodové součástky 1 a desky 2 plošného spoje, k mechanickému zatěžování spojů mezi kontakty 3 bezvývodových součástek I a připojovacími ploškami 5 na desce 2 plošného spoje. Navrhované zařízení umožňuje simulaci tohoto mechanického zatěžování, úroveň zatěžování může být sledována podle změny nelinearity

-3CZ 302231 B6 voltampérové charakteristiky spojů. K zatěžování je použito piezoelektrického translátoru 6 napájeného z programově řízeného zdroje 8 vysokého napětí, což umožňuje volbu různé úrovně zatěžování i jeho časového profilu podle programového řízení zdroje 8 vysokého napětí.

Průmyslová využitelnost

Uvedené zařízení je využitelné u montážních firem, které se zabývají osazováním desek plošných spojů elektronickými součástkami technikou povrchové montáže, kdy bezvývodové součástky jsou na připojovací plošky pájeny nebo připojovány vodivým lepením. Umožňuje simulovat v krátkém čase vliv mechanického zatěžování na vlastnosti pájených a lepených spojů v případech, kdy jsou montovány součástky se součinitelem teplotní roztažnosti jiným, než je součinitel teplotní roztažnosti desky plošného spoje. Další využitelnost je v případech, kdy dojde u firmy zaměřené na osazování desek plošných spojů elektronickými součástkami k přechodu od pájení na vodivé lepení. V tomto případě je testování odolnosti proti mechanickému zatěžování spojů nezbytné. Významným segmentem, kde bude také využitelné toto zařízení, bude segment výrobců elektricky vodivých lepidel a bezolovnatých pájek, kdy jim umožní realizaci časově nenáročných testů mechanické odolnosti uvedených spojovacích materiálů.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro simulaci vlivu rozdílných součinitelů teplotní roztažnosti desky plošného spoje a připojené bezvývodové součástky na vlastnosti pájených a lepených spojů, vyznačující se tím, že sestává z piezoelektrického translátoru (6) s válcovým trnem (7) pro vytváření simulovaného mechanického napětí ve spojích bezvývodové součástky (1), spojeného s programově řízeným zdrojem (8) vysokého napětí a ze sady vyměnitelných desek (2) plošného spoje opatřených dvěma připojovacími ploškami (5) různých roztečí pro připojení zatěžované bezvývodové součástky (1), kde každá z těchto připojovacích plošek (5) je opatřena dvěma přívody (51) pro připojení zařízení (9) pro čtyřbodové měření nelinearity voltampérové charakteristiky zatěžované bezvývodové součástky (1).